PDE5抑制剂与cGMP信号通路相关疾病的研究进展*

郭文钧， 高 冉， 樊天斐， 王 婧

（中国医学科学院基础医学研究所，北京协和医学院基础学院，北京100730）

磷酸二酯酶5（phosphodiesterase 5，PDE5）抑制剂通过阻断环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）的分解，使包括一氧化氮（nitric oxide，NO）在内的血管舒张介质作用延长，从而导致阴茎和肺的血管舒张。PDE5 主要在阴茎海绵体和肺血管中发现，所以其抑制剂的主要作用是延长阴茎勃起和降低肺血管压力。目前已有4 种PDE5 抑制剂被批准用于治疗勃起功能障碍，包括西地那非（伟哥，1998 年）、他达拉非（西力士，2003 年）、伐地那非（艾力达，2003 年）和阿伐那非（斯坦德拉，2012年），其中西地那非还被批准用于治疗肺动脉高压。近年来研究发现，PDE5 抑制剂在心血管疾病、记忆认知障碍、直结肠癌、系统硬化疾病及镰状细胞性贫血等疾病的治疗中可能发挥重要作用。本综述总结了PDE5 抑制剂对相关疾病治疗的研究进展及作用机制，为促进PDE5抑制剂临床应用提供参考。

1 PDE5抑制剂治疗不同疾病的研究进展

1.1 勃起功能障碍 PDE5 在血管平滑肌中表达量非常丰富，抑制PDE5 可以限制cGMP 的分解，增强了由内皮或外源性供体产生的NO 引发的NO/cGMP途径血管舒张作用［1-2］。在20世纪80年代中期，辉瑞公司开发了PDE5 的抑制剂，即西地那非（扎普司特的衍生物UK-92480），计划用于扩张血管、治疗冠心病，意外发现西地那非对心绞痛无效，却诱导许多参与试验的志愿者阴茎勃起增强。此后，大量研究集中在这一意外的副作用上。

阴茎勃起取决于NO/cGMP 路径。在性刺激后，非胆碱能/非肾上腺能神经元和内皮细胞在海绵体中释放的NO 通过增加细胞内cGMP 浓度促进周围平滑肌细胞（smooth muscle cell，SMC）松弛，海绵体腔内平滑肌的松弛和阴茎动脉的扩张促进了窦道空间的扩张，导致血液充盈和阴茎勃起。PDE5 是阴茎SMC 中主要的 PDE 亚型［3］，因此，PDE5 抑制剂能够通过增强NO 释放引发的cGMP 的作用来增强勃起反应［4］。1998 年，西地那非（Viagra®；辉瑞公司）获批成为第一种口服治疗勃起功能障碍的药物。PDE5抑制剂不会引起直接刺激和性刺激，只有在与自然刺激有关的情况下才会发生勃起，这种特征使该药物具有“自发性”的意义，这也是该药物心理学的角度上的一种优势。现在，PDE5 抑制剂是治疗勃起功能障碍的主要手段，在70%以上的病例中有效且耐受性良好［5］。目前，市面上有7种PDE5抑制剂（西地那非、他达拉非、伐地那非、阿伐那非、洛地那非、美罗那非和乌地那非），其中美国食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准的西地那非、伐地那非、他达拉非和阿伐那非均可用于治疗男性勃起功能障碍，且没有证据表明它们的疗效存在差异。相反，也有研究提出PDE5抑制剂可作为阴茎持续勃起症的治疗药物［6］。

1.2 肺动脉高压 动脉型肺动脉高压（pulmonary arterial hypertension，PAH）的特征是平均肺动脉压（mean pulmonary arterial pressure，mPAP）升高，导致右心衰竭，功能逐渐下降，最终死亡［7］。引起该疾病的肺动脉重塑包括肺血管收缩、原位血栓形成、中膜肥大和内膜增生，导致中小型肺动脉闭塞并形成丛状病变。内皮功能障碍导致血管舒张剂/抗增殖因子的产生失衡，而血管收缩剂/增殖因子是PAH 的主要病理学机制之一，并且是当前治疗方法的基本原理。肺动脉内NO/cGMP/PDE5 通路的损伤是由PAH患者内皮细胞中NO 合成酶（nitric oxide synthase，NOS）表达减少和血管 SMC 中 PDE5 上调导致的［8］，因此抑制PDE5 可促进cGMP 的积累，从而抑制肺血管收缩及血管SMC 的生长和重构。研究显示，西地那非可降低PAH 患者mPAP 和肺血管阻力（pulmonary vascular resistance，PVR），增加心脏指数，改善血流动力学反应，提高患者运动能力及生活质量［9］；而西地那非用于PAH（sildenafil use in PAH，SUPER）试验证实，西地那非治疗12周后，患者6 min步行距离显著增加，运动能力改善，mPAP 和PVR 显著降低［10］。并且后续长达3 年的治疗过程中，上述疗效基本得以持续［11］。因此，西地那非已于2005 年获批准用于II 级和III 级PAH 患者的长期治疗。同时，另一种PDE5抑制剂他达拉非（Adcirca®）也基于类似的临床疗效获准销售［3］。

1.3 心脏病 一系列研究发现，肥厚型、扩张型和缺血性心肌病，以及充血性心力衰竭患者心脏中PDE5 表达上调［12］。口服PDE5A 抑制剂（西地那非）可以阻断cGMP分解代谢，抑制心室和心肌细胞的肥大，并改善由横主动脉缩窄引起的慢性压力超载小鼠心脏功能［13］。许多动物研究表明，PDE5抑制剂可预防缺血/再灌注损伤、阿霉素心毒性、缺血和糖尿病性心肌病和杜氏肌营养不良［14］。PDE5 抑制剂西地那非可降低收缩性心力衰竭患者的肺血管压力，增加峰值耗氧量和心脏指数［15］。西地那非还可改善收缩性心衰患者的左室舒张功能、心脏结构和临床状态［16］，并可改善糖尿病性心肌病［17］。然而，西地那非对慢性舒张性心衰的作用虽然在一项单中心研究中得到了较好的结果［18］，但一项更大的多中心研究结果显示，西地那非与慢性舒张性心衰患者的临床改善并无关联［3，19］。临床前试验与人体试验结果间出现差异的原因可能在于血液动力学的压力水平，只有负荷较高时，蛋白激酶G（cGMP-dependent protein kinase，PKG）依赖的抗重塑保护才有作用［20］，简单来说，只有先产生足够cGMP，PDE5 抑制剂才能发挥预期作用，并且PDE5抑制剂的无效可能由于上游信号的缺陷（如氧化应激）［21］。然而，PDE5 是否在心肌中显著表达目前仍有争议，这也提示PDE5抑制剂治疗作用可能涉及其他机制［22-23］。新的实验数据表明，在高危患者（如糖尿病患者）中，长期抑制PDE5可能是防止舒张性心衰发展的有效方法，而非用于治疗或逆转疾病［24］。

1.4 认知障碍与学习记忆 大量研究证实，PDE5抑制剂可通过增加cGMP 水平干扰NO/cGMP/PKG/cAMP 应答元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）信号通路，提示PDE5 抑制剂可能被用于治疗阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）［25］。目前无论是已上市的还是正在研究的PDE5 抑制剂，都显示出可以逆转野生型、AD 模型和tau 蛋白（含量最高的微管相关蛋白，在AD 患者脑中异常过度磷酸化）病模型小鼠的认知缺陷，证实了PDE5 抑制剂作为认知增强剂的治疗潜力［26］。最近一项针对AD 患者的研究表明，50 mg 剂量的西地那非可显著改善脑血流动力学功能，增加脑组织氧代谢［27］，提示PDE5抑制剂可能通过脑血管机制增强记忆。同时，肝性脑病的患者小脑中cGMP生成较少与学习能力的降低有关，西地那非可通过提高小脑细胞外cGMP水平，进而恢复轻微肝性脑病大鼠的学习能力及认知功能［28］。由于他达拉非脑渗透性较差，故而认为其在认知增强方面不如西地那非或伐地那非有效［29］。一项Ⅱ期临床试验（NCT02450253）正在评估他达拉非对老年脑小血管疾病的疗效，利用他达拉非血管舒张的特性，通过改善大脑区域的血流来预防血管认知障碍。此外，Shim 等［30］发现，用PDE5 抑制剂乌地那非（100 mg）治疗勃起功能障碍患者2 个月的期间，该药物可改善认知和额叶执行功能；后续研究表明，2 个月的低剂量（50 mg）乌地那非也能产生认知增强作用［31］；而且这2 项研究中均没有观察到严重的不良事件。

总的来说，虽然PDE5抑制剂在临床前研究中显示出明显的认知增强潜力，但这些效应尚未得到明确的临床疗效证明。

1.5 结直肠癌 结直肠癌是世界上第四大最常见的癌症，是导致癌症相关死亡的第二大原因。对瑞典的全国性人群研究发现，使用PDE5抑制剂与降低良性结直肠肿瘤的男性患者的结直肠癌风险相关，提示PDE5 抑制剂可作为一种结直肠癌风险较高人群的化学预防药物，但其在女性人群中的抗癌作用尚不明确［32］，因此，进一步的前瞻性队列研究和临床试验对确定这一关联以及PDE5 抑制剂长期使用的安全性尤为重要［33］。其他的相关证据包括，癌症基因组图谱中包含与PDE5 表达减少相关的突变的结直肠癌患者生存时间更长［34］。实验研究表明，在炎症相关和非炎症相关的肿瘤动物模型中，PDE5 抑制剂在体内外均具有抗癌活性［32］。

1.6 系统性硬化症 系统性硬化症是一种结缔组织疾病（connective tissue disease，CTD），影响皮肤、血管、心脏、肺、肾脏、胃肠道和肌肉骨骼系统。内部器官损伤的累积导致了系统性硬化症患者较高的发病率和死亡率［35］。一项对临床随机对照实验（randomized control trial，RCT）的荟萃分析表明，PDE5抑制剂（包括西地那非、他达拉非和伐地那非）可降低系统性硬化症患者雷诺现象的发生频率、严重程度和持续时间。另一项RCT 荟萃分析显示，PDE5抑制剂可增进系统性硬化症患者的手指溃疡（digital ulcers，DUs）愈合，并可阻止系统性硬化症患者新的DUs 发展［33］。此外，包含 CTD-PAH 在内的 PAH 患者的RCT 研究表明，PDE5 抑制剂（西地那非和他达拉非）可提高PAH 患者的运动能力，且他达拉非（40 mg/d）可降低临床恶化的风险［33］。

1.7 镰状细胞血管病变 镰状细胞病（sickle cell disease，SCD）是一种遗传性血红蛋白失调症，主要症状是由于小血管被异常的镰状红细胞堵塞而引起的疼痛，并发症主要有慢性器官损伤和阴茎长时间痛苦勃起等［36］。初步研究发现，SCD 患者服用西地那非治疗约6 个月，可降低患者的平均肺动脉压并改善6 min 步行距离。西地那非还可以减少患有慢性肾病的SCD 患者血小板的过度活化。此外，有2个病例报告表明西地那非对镰状细胞异常引起的勃起功能障碍有效［37］；但是一项干预审查显示，西地那非对镰状细胞病患者阴茎异常勃起的症状没有显著的治疗效果［36］。因此，西地那非对SCD 引发的异常勃起的疗效有待深入探究。

2 PDE5抑制剂的局限及副作用

PDE5 抑制剂具有血管舒张特性并发挥全身血流动力学作用，在与其他心血管药物合用时需要考虑其对血管的作用。其中，与α 受体阻滞剂联用时需要格外小心，而在硝酸盐（例如硝酸甘油或硝酸异山梨酯）治疗时需禁用PDE5 抑制剂。这2 种药物与PDE5 抑制剂联用会造成持续的血管舒张，极其危险［38］。然而，在大鼠硝酸盐耐受性模型中观察到，血管中PDE5A 表达增加，分别用zaprinast 和长春西汀抑制PDE 可有效逆转这种耐受性，表明PDE 的上调与硝酸盐的耐受性有关［3］。PDE5抑制剂在限制硝酸盐耐受性方面的潜在应用，尚待在临床试验中进行评估。西地那非不应用于严重的心血管疾病，如心绞痛或严重的心力衰竭患者，并且低血压（血压低于90/50 mmHg）、严重肝损害、色素性视网膜炎、有中风或心肌梗死病史者禁用。

尽管尚未建立明确的因果关系，但患有合并症如糖尿病，高血压和血脂异常的患者服用PDE5抑制剂似乎与非动脉性前壁缺血性视神经病变有关。此外，据报道PDE5抑制剂还有头痛、消化不良、面部潮红、头晕、鼻塞、鼻出血、呕吐、腹泻、视力障碍、眼痛/炎症、背痛和肌痛等不良反应。这些常见的副作用可能由PDE 家族其他亚型的抑制引起［39］。例如，某些患者产生的视力障碍可能由于西地那非和伐地那非在视网膜中抑制PDE5 的同时会抑制PDE6［39］。另外，西地那非还可以与某些食物和饮料相互作用干扰药物的代谢，特别是含葡萄柚成分的果汁或补品，研究发现，葡萄柚汁中主要存在的呋喃香豆素成分6′，7′-二羟基佛手柑素，是西地那非主要代谢途径CYP3A（细胞色素P450 3A）的选择性抑制剂，可能抑制西地那非代谢造成生物利用度增加，药效增强；由于个体间药代动力学相互作用的程度、不同品牌和批次的西柚汁中CYP3A4 抑制剂的数量以及果汁消耗量的差异使得这种增强效果难以预测，因此建议避免将西地那非与葡萄柚及其制品混合使用［40-41］。但总体上PDE5抑制剂的副作用发生频率较低，因此具有良好的市场前景。

3 PDE5抑制剂在疾病中的作用机制

PDE5 在动物和人的各种组织中表达，例如海绵体的平滑肌细胞、血管和内脏平滑肌、骨骼肌、血小板、肾脏、肺、脊髓、小脑、胰腺、前列腺、尿道和膀胱［25］。 PDE5 的 3 种 亚 型 PDE5A1、PDE5A2 和PDE5A3在人体内皆有表达，在不同细胞中的表达有所差异。PDE5A1 和PDE5A2 几乎在所有组织中都存在，但PDE5A2 分布更为广泛，而PDE5A3 的分布仅限于平滑肌［42］。3种PDE5亚型仅在mRNA 的5′端和相应的蛋白N 端存在差异。PDE5A1、PDE5A2 和PDE5A3 具有相似的cGMP 催化活性，但西地那非和扎普司特对PDE5A2和PDE5A3抑制性更强。

现已被详细报道的NO/可溶性鸟苷酸环化酶（soluble guanylyl cyclase，sGC）/cGMP 通路是 PDE5抑制剂作用的重要通路［25］。NO 是由以 NADPH 和 O2为底物的NOS催化L-精氨酸氧化合成的。目前已鉴定出三种NOS 亚型：神经元型NOS（neuronal NOS，nNOS或NOS1）、诱导型NOS（inducible NOS，iNOS或NOS2）和 内 皮 型 NOS（endothelial NOS，eNOS 或NOS3）。NO 通过激活 sGC 促使 GTP 合成 cGMP 增加，形成的cGMP激活PKG，进而激活下游效应蛋白，从而对细胞生长、平滑肌松弛、离子转运、内皮通透性、基因转录等产生不同的作用［25］。PDE5 水解cGMP 的磷酸二酯键终止cGMP 的作用，而PDE5 抑制剂可以抑制cGMP被水解。

虽然PDE5 抑制剂的机制研究大部分围绕着NO/sGC/cGMP 通路，但同样的疾病中NO信号通路也不尽相同，这可能是影响PDE5 抑制剂有效性的原因，也使得临床转化的过程遇到较多困难。研究发现，通过抑制PDE5 降低肾上腺素能肌收缩力，需要NOS3 和 cGMP 合成的参与［43］。在肌细胞中，PDE5抑制并不会增加质膜上利钠肽刺激产生的cGMP 含量，但会增加 NO 供体刺激产生的 cGMP 含量［44］。另一项对雌鼠的研究表明，雌激素与NO-cGMP 在PDE5 抑制剂减轻心功能障碍和心肌肥厚中起重要作用［45］。这些研究揭示了 NO 诱导的 cGMP 表达量在PDE5调节中发挥的重要作用。此外，目前研究发现，PDE5 抑制剂发挥作用的下游机制主要有以下4个方面（图1）：

Figure 1.Mechanism of PDE5 inhibitors.PDE5 inhibitors affect oxidation，cognition and memory，endoplasmic reticulum（ER）stress，oxidative stress，smooth muscle relaxation，protein misfolding or ubiquitination through protein kinase B（PKB/Akt）/glycogen synthase kinase 3（GSK3），nitric oxide（NO）/soluble guanylate cyclase（sGC）/cyclic guanosine monophosphate（cGMP）/protein kinase G（PKG）or NO/sGC/cGMP/cAMP-response element binding protein（CREB）pathways.P：phosphorylation；Xbp1：X-box binding protein-1；GRP78：glucose-regulated protein 78；PERK：protein kinase R-like ER kinase；Ub：ubiquitination.图1 PDE5抑制剂的作用机制

3.1 PKG 通路 大量证据表明，cGMP 参与细胞内非常复杂的信号通路，其中NO/cGMP/PKG 通路调控许多重要机制。如Ranek 等［46］发现，在新生大鼠心室肌细胞中过表达活化的PKG1a 或通过PDE5 抑制PKG 激活，可增强蛋白酶体的肽酶活性，减少错误折叠和泛素化蛋白积累。血管中PKG1在NO信号的作用下诱导平滑肌松弛，从而降低全身和肺的血压。在血小板中，cGMP刺激PKG1可抑制其活化和聚集。而在心力衰竭的实验模型中，抑制cGMP降解可激活PKG1 活性从而发挥保护作用。上述信号的净效应是保护心血管系统［43］。

3.2 CREB 途径 cGMP 还可 以通过 PKG/CREB 途径刺激神经发生，最终产生脑源性神经营养因子。在PDE5抑制剂改善认知记忆相关疾病中，西地那非可通过cGMP/PKG/CREB 或蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）/糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase-3，GSK3）通路抑制不同小鼠模型中β-淀粉样蛋白肽的形成和tau 蛋白的过度磷酸化［47］。另一研究显示，西地那非可恢复老年小鼠海马CREB的磷酸化［26］。这些研究提示西地那非可增强年龄相关的记忆衰退。

3.3 内质网应激（endoplasmic reticulum stress，ERS） Gong 等［48］的一项研究表明，ERS 的诱导与衰竭心脏中PDE5 表达的增加有关，西地那非对PDE5的抑制可通过降低剪接形式的x-box 结合蛋白1、磷酸化蛋白激酶R 样内质网激酶和葡萄糖调节蛋白78的表达来抑制ERS 和ERS 诱导的细胞凋亡，从而缓解心衰。另一项相关研究证明，NO 和亚硝酸盐均可通过NO/sGC/cGMP 途径减少神经元细胞ERS和ERS诱导的细胞凋亡，提示NO 和/或亚硝酸盐可能对ERS 相关的神经退行性疾病也具有治疗价值［49］。上述研究表明cGMP 调节ERS 是心肌细胞和神经元共有的，但这种机制是否在其他细胞中也以类似的方式起作用仍有待研究。

3.4 抗氧化活性 除了抑制PDE5 外，PDE5 抑制剂还具有抗氧化活性。已有研究表明，氧化应激可增加衰竭心脏心肌细胞中PDE5的表达［50］，而西地那非通过抑制自由基的形成和促进氧化还原系统来减轻氧化应激［12］。PDE5 抑制剂的作用机制之一可能是降低氧化应激水平，因为PDE5 水平在肺动脉高压、慢性心力衰竭和右室肥厚等情况下均被上调［51］，氧化应激也会介导心血管疾病中NO-cGMP-PKG 信号通路功能失调。因此，PDE5 抑制剂可能在多种病理中具有治疗作用［14］。

4 总结与展望

PDE5 抑制剂的作用，特别是西地那非和他达拉非，在勃起功能障碍和肺动脉高压的临床中已经得到了很好的证实。此外，这些药物在其他医学领域如心力衰竭、周围神经病变和周围动脉疾病方面也具有潜在的治疗效果，但进入市场前仍需要进行广泛的研究。为了解决PDE5抑制剂临床应用瓶颈，以下改进策略可供参考。

4.1 优化药物剂型 西地那非可预防肺动脉重构，但传统口服西地那非由于在肺动脉中累积不良导致治疗效果有限。Li 等［52］报道称，葡萄糖醛酸修饰的脂质体包裹的西地那非，通过靶向葡萄糖转运蛋白-1，改善了西地那非对异常增殖的肺动脉平滑肌的递送，可有效抑制肺动脉高压大鼠的肺动脉重构。另有研究研制了他达拉非的聚乳酸-羟基乙酸纳米颗粒干粉吸入剂，有治疗肺动脉高压的潜力［53］。

4.2 联合用药 对于轻度肺动脉高压，81%专家推荐的治疗方法除首选的单独PDE5抑制剂治疗外，还包括内皮素受体拮抗剂与PDE5抑制剂联合用药［35］。值得注意的是，PDE5抑制剂的作用主要依赖于NO/sGC/cGMP通路的活性，故而除抑制PDE5对cGMP的降解，激活sGC增加cGMP产生也是值得关注的重要调控靶点，sGC激活剂目前已开发用于治疗心血管疾病，部分sGC激活剂也可用于治疗泌尿生殖系统疾病［54］。

4.3 开发多靶点药物 开发新的PDE5抑制剂的重点是提高酶抑制剂的特异性，优化人体药代动力学特性，增加血脑屏障的通透性［26］。最近备受关注的一种治疗策略是多靶点定向配体的开发，这种配体能够作用于AD 病理过程中涉及的不同分子靶点［55］；例如针对PDE5 和组蛋白脱乙酰酶（histone deacetylases，HDACs）的双抑制剂已被作为一种潜在的治疗AD 的新方法。与PDE5抑制剂类似，HDAC抑制剂是AD认知障碍的潜在调节因子［26］。一种有治疗AD潜力的化合物同时包含西地那非的嘧啶支架结构及羟肟酸结构，故而具有双重抑制活性，可以同时抑制HDAC 和PDE5，能够通过血脑屏障，增加海马组织蛋白乙酰化和CREB 磷酸化，从而挽救淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）/早 老 蛋 白 1（presenilin-1，PS1）转基因小鼠突触强度的长时程增强（long-term potentiation，LTP）［26］，改善小鼠学习记忆。近几十年来，乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，AChE）和PDE5双靶点抑制剂也已被研究用于AD的治疗，乙酰胆碱酯酶抑制剂是目前可用于治疗AD 的药物，而新开发的一种化合物具有AChE/PDE5 双靶点抑制活性，血脑屏障通透性好，水溶性增强，对东莨菪碱诱导的认知功能障碍有良好的治疗效果，可抑制皮层AChE活性，增强CREB体外磷酸化［26］。

4.4 变构抑制剂 PDE5 抑制剂的部分轻微副作用可通过提高选择性和药代动力学性质来改善，通过开发PDEs 的变构抑制剂，针对PDE5 的GAF 结构域（以最早发现含有该结构域的三种蛋白质首字母命名，配体主要为环核苷酸）进而阻断酶的激活，但不阻断其基础活性，从而绕过抑制基本的生理过程相关的靶点，减轻副作用［56］。